薄弱斷面中關(guān)鍵支路識別有效性驗證

苗 田，鄭 超，劉觀起

(1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

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薄弱斷面中關(guān)鍵支路識別有效性驗證

苗 田1，鄭 超2，劉觀起1

(1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

快速識別大擾動沖擊下表征系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵支路，準(zhǔn)確定位系統(tǒng)發(fā)生失步的薄弱環(huán)節(jié)，對制定針對性控制策略，降低系統(tǒng)解列風(fēng)險具有重要意義。分析了單機(jī)無窮大系統(tǒng)受擾后有功功率振蕩曲線呈現(xiàn)出的“雙峰”軌跡特征，指出該特征與系統(tǒng)穩(wěn)定裕度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，針對多交流支路輸電斷面，提出了基于支路電氣量單端量測的關(guān)鍵支路快速識別方法。通過實際電網(wǎng)仿真分析，驗證了關(guān)鍵支路識別方法及針對性暫態(tài)穩(wěn)定控制的有效性。

暫態(tài)穩(wěn)定；單端電氣量；關(guān)鍵支路；快速識別；曲線擬合

0 引 言

保障電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是交流輸電線路連續(xù)可靠送電的基本前提[1-3]。電力系統(tǒng)一旦失去穩(wěn)定，將會造成薄弱斷面中交流線路相繼解列開斷。受此影響，區(qū)域電力出現(xiàn)供需失衡，嚴(yán)重時將導(dǎo)致大面積停電[4]。因此，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定一直是電力工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點。

圍繞暫態(tài)穩(wěn)定分析與控制，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。在基于全局受擾信息分析系統(tǒng)穩(wěn)定性研究方面，文獻(xiàn)[5-6]提出互補(bǔ)群群際能量壁壘準(zhǔn)則(complementary-cluster energy-barrier criterion, CCEBC)，將多機(jī)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)響應(yīng)軌跡從Rn空間聚合映射為R1空間的單機(jī)受擾軌跡，進(jìn)而采用擴(kuò)展等面積定則(Extend Equal Area Criterion, EEAC)定量評估系統(tǒng)穩(wěn)定裕度；文獻(xiàn)[7-8]提出了基于互補(bǔ)群慣量中心或位置中心變換的暫態(tài)能量函數(shù)及其修正方法；文獻(xiàn)[9-10]則提出了基于多機(jī)系統(tǒng)聚合軌跡幾何特征的暫態(tài)穩(wěn)定性判別方法。基于全局受擾信息的穩(wěn)定分析與控制方法，需要所有發(fā)電機(jī)受擾軌跡信息，信息量大，數(shù)據(jù)采集與處理耗時長。

基于局部受擾信息是電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的另一類重要方法。文獻(xiàn)[11]提出了基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保留模型的割集穩(wěn)定性準(zhǔn)則；文獻(xiàn)[12-15]提出了基于局部網(wǎng)絡(luò)信息的支路暫態(tài)勢能法，通過分析受擾后支路勢能在網(wǎng)絡(luò)中的分布變化，可識別交流薄弱斷面；文獻(xiàn)[16-19]提出基于受擾后局部支路電氣量的解列判據(jù)?；诰植烤W(wǎng)絡(luò)信息的穩(wěn)定分析，將交流薄弱斷面作為整體看待，未能區(qū)分其中不同支路的受擾軌跡差異及其穩(wěn)定特征；基于局部受擾信息的穩(wěn)定判據(jù)，則僅當(dāng)系統(tǒng)失去穩(wěn)定后才能夠識別出解列支路，無法在薄弱斷面中超前識別出穩(wěn)定性最為脆弱的支路。

針對交流薄弱斷面中的多條支路，依據(jù)受擾軌跡特征及差異，識別出最為脆弱的支路，是實施有針對性的穩(wěn)定控制以及提升控制效果的前提。本文首先分析了單機(jī)無窮大系統(tǒng)遭受大擾動沖擊后，支路有功功率軌跡中“雙峰一谷”特征，指出此特征與系統(tǒng)穩(wěn)定裕度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。以交流支路單端量測電氣量為信息源，提出關(guān)鍵支路快速識別的實用化方法；以南方電網(wǎng)為例，驗證了關(guān)鍵支路為電網(wǎng)失穩(wěn)后最先解列的支路，即為電網(wǎng)穩(wěn)定性最為脆弱的支路。此外，計算結(jié)果還表明，關(guān)鍵支路識別時刻可超前支路解列時刻，因此，在電網(wǎng)失穩(wěn)前可進(jìn)一步追加穩(wěn)定控制，降低系統(tǒng)失步解列的風(fēng)險。

1 單機(jī)無窮大系統(tǒng)支路受擾軌跡解析

單機(jī)無窮大系統(tǒng)及其等值電路如圖1所示。

圖1 單機(jī)無窮大系統(tǒng)及其等值電路Fig.1 Single machine infinite bus system and its equivalent circuit

式中：X為系統(tǒng)總等值電抗；δ為發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間的功角。某時刻線路L1首端發(fā)生三相永久短路故障，一段時間后斷路器跳開。系統(tǒng)正常運行、故障期間、故障切除后三種狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)電磁功率特性如圖2(a)所示。

對應(yīng)上述故障擾動過程可知，發(fā)電機(jī)初始運行于a點，功角為δ0。故障持續(xù)期間發(fā)電機(jī)積聚的加速能量促使功角擺開，假設(shè)功角擺過90°到達(dá)f點，由于此時運行點并未越過不穩(wěn)定平衡點h，由等面積定則知發(fā)電機(jī)功角運行軌跡將經(jīng)歷紅色箭頭所示的過程。與此同時，大擾動后線路有功PL、電壓UL、母線相位差δL變化軌跡如圖2(b)所示，其中支路有功功率受擾軌跡呈現(xiàn)出“雙峰一谷”特征。若不計阻尼作用，功角持續(xù)振蕩，有功軌跡將多次呈現(xiàn)該特征。

圖2 發(fā)電機(jī)P-δ曲線及大擾動后線路電氣量軌跡Fig.2 Generator’s P-δ curve and line’s disturbed trajectory of electric characters

擾動后振蕩中心落于線路上時，圖2(b)中運行點由e點至Peak點過程，對應(yīng)電壓大幅跌落且功角大幅擺開、有功增大過程，電網(wǎng)穩(wěn)定裕度開始減小。有功首個峰值的出現(xiàn)表明系統(tǒng)功角擺至90°穩(wěn)定裕度已經(jīng)明顯減??；功角增大至極大值、同時電壓跌落達(dá)到極小值時，對應(yīng)圖2(b)中f點，有功出現(xiàn)谷值，此時系統(tǒng)穩(wěn)定裕度最低。功角回擺過程運行點由f回至e過程，有功出現(xiàn)第二個峰值，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度逐漸提高。由此可知線路電氣量變化與系統(tǒng)穩(wěn)定性具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

綜合以上分析可以看出，支路有功功率受擾軌跡出現(xiàn)“雙峰一谷”特征，表明送受端系統(tǒng)在大擾動沖擊下，功角差大幅擺開，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度已顯著減小。在多支路構(gòu)成的交流斷面中，受電氣阻抗差異、潮流運行水平不同等因素影響，受擾后各支路有功功率軌跡存在差異，最先出現(xiàn)“雙峰一谷”特征的支路，將能最先表征出系統(tǒng)穩(wěn)定裕度減小態(tài)勢。

2 基于單端電氣量的支路受擾特征識別

文獻(xiàn)[20]欲識別交流支路受擾特征，需利用廣域測量系統(tǒng)(Wide Area Measuring System, WAMS)測量支路兩端電壓相角差信息，這增加了支路量測與通信的復(fù)雜性，適應(yīng)場景受限。本文將研究基于單端電氣量量測的支路受擾特征識別方法，簡化量測并推廣至多支路以便于工程應(yīng)用。

交流支路等值電路和電壓相量圖如圖3所示。

圖3 交流支路等值電路和電壓相量圖Fig.3 Equivalent circuit of power transmission line and voltage phasor diagram

(2)

(3)

(4)

根據(jù)支路單端電壓、輸送功率，可通過式(2)、(3)、(4)計算出對端相應(yīng)電氣量。在線應(yīng)用時，量測電氣量為一系列采樣間隔為t的離散數(shù)據(jù)，對應(yīng)當(dāng)前t時刻，提取連續(xù)受擾軌跡前Nc個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)滾動的最小二乘多項式擬合，如式(5)所示：

互聯(lián)電網(wǎng)兩群失穩(wěn)模式下，振蕩中心落于由多條交直流支路構(gòu)成的輸電斷面時，定義最先出現(xiàn)有功“雙峰一谷”特征的支路為關(guān)鍵支路，其識別判據(jù)如下：

P′(t)<0

(6)

式(6)判據(jù)1)中eth為電氣量大擾動門限值；電氣量導(dǎo)數(shù)判據(jù)2)用于辨識電壓下降，功角擺開，有功首峰出現(xiàn)；判據(jù)3)用于篩選特征最先出現(xiàn)的支路，須注意的是，判據(jù)不完全依賴于支路初始功率。

基于量測支路單端電氣量的關(guān)鍵支路快速識別流程如圖4所示。關(guān)鍵支路的快速識別，將有利于運行人員在系統(tǒng)失穩(wěn)前定位系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，提前進(jìn)行針對性控制，提升電網(wǎng)穩(wěn)定水平。

圖4 關(guān)鍵支路識別方法流程圖Fig.4 Flow chart of crucial branch identification method

3 實際電網(wǎng)仿真驗證

3.1 識別結(jié)果及暫穩(wěn)控制有效性驗證方法

為驗證大擾動沖擊下交流關(guān)鍵支路識別方法的有效性，利用PSD-BPA電力系統(tǒng)分析軟件對實際電網(wǎng)進(jìn)行仿真，仿真步長設(shè)為0.01 s。將仿真數(shù)據(jù)作為在線WAMS實測數(shù)據(jù)，并將識別結(jié)果與電網(wǎng)快速失步解列裝置動作結(jié)果做比較，驗證識別時間是否早于快速解列時間。交流關(guān)鍵支路識別成功后，施加暫態(tài)穩(wěn)定控制，以進(jìn)一步驗證控制是否可恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定，避免快速解列裝置動作。快速失步解列裝置原理參見文獻(xiàn)[21]，仿真中裝置的相關(guān)參數(shù)設(shè)置值，如表1所示。

表1 快速失步解列配置參數(shù)

3.2 識別結(jié)果及暫穩(wěn)控制有效性驗證方法

3.2.1 南方電網(wǎng)交直流混聯(lián)系統(tǒng)

貴州、云南兩地能源豐富，是西電東送的重要基地。目前，南方電網(wǎng)已經(jīng)形成“八交五直”的交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)，貴廣兩回±500 kV超高壓直流，云廣±800 kV特高壓直流與多回500 kV交流支路共同構(gòu)成混聯(lián)外送格局。

計算分析表明，系統(tǒng)遭受嚴(yán)重故障沖擊下，桂粵斷面存在失去穩(wěn)定的風(fēng)險。振蕩中心所在的薄弱斷面如圖5所示。

圖5 薄弱斷面位置示意圖Fig.5 Weak section location diagram

3.2.2 “桂粵”薄弱斷面中關(guān)鍵支路識別

2013年豐大方式下，云廣直流額定外送功率5 000 MW時，設(shè)0.2 s該直流發(fā)生雙極閉鎖故障。若故障后0.1 s安控切除云南境內(nèi)橋灣電廠500 MW，則系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。擾動后桂粵斷面各支路電氣量變化如圖6所示。

圖6 桂粵斷面擾動后各支路電氣量特征Fig.6 Disturbed electric characteristic of branch between Guangxi and Guangdong section

從圖6(a)中可以看出，在t1時刻桂林-賢嶺山有功軌跡首個峰值出現(xiàn)，超前其他3條支路。根據(jù)本文提出的快速識別條件，可判定桂林-賢嶺山支路為桂粵薄弱斷面4條支路中的關(guān)鍵支路。

3.2.3 桂粵斷面失穩(wěn)過程及追加控制后效果

云廣直流雙極閉鎖后，若故障后0.1 s安控切橋灣電廠出力300 MW，則廣東電網(wǎng)與主網(wǎng)將失去暫態(tài)穩(wěn)定。計及失步解列裝置動作，則臨界斷面各支路有功軌跡如圖7所示。

圖7 計及快速解列動作的桂粵斷面支路有功軌跡Fig.7 Active power trajectory of branch between guangxi and Guangdong section with fast splitting device action

對應(yīng)圖7所示軌跡，關(guān)鍵支路識別結(jié)果及識別時間，以及各支路快速解列裝置動作時間，如表2所示。

表2 桂粵斷面關(guān)鍵支路識別結(jié)果

Tab.2 Result of key branch recognition between Guangxi and Guangdong provinces

支路名識別結(jié)果識別時間/s失穩(wěn)后快速解列動作時間/s桂林-賢嶺山關(guān)鍵支路1.542.21賀州-羅洞臨近并聯(lián)支路-2.35梧州-羅洞臨近并聯(lián)支路-2.41茂名-蝶嶺臨近并聯(lián)支路-2.54

由圖7和表2可以看出，各支路解列時間反映的物理過程為：廣西送端功率由薄弱斷面中上述四條支路承擔(dān)，當(dāng)擾動產(chǎn)生不平衡功率時，桂林-賢嶺山支路功角率先擺開增加輸送功率。隨后其輸電能力超過極限進(jìn)而失穩(wěn)，部分不平衡功率及桂林-賢嶺山關(guān)鍵支路承擔(dān)的送電功率將轉(zhuǎn)移至臨近并聯(lián)支路，加速臨近并聯(lián)支路相繼失穩(wěn)過程。

1.54 s識別出關(guān)鍵支路后，較2.21 s解列裝置動作提前0.67 s，滿足工程上實施暫態(tài)穩(wěn)定控制的時間要求。為驗證關(guān)鍵支路識別后實施穩(wěn)定控制的效果，選擇與關(guān)鍵支路就近的構(gòu)皮灘電廠作為控制地點切除其出力1 000 MW?？紤]通信延時等因素，關(guān)鍵支路識別后0.2 s實施切機(jī)措施。有無切機(jī)措施系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)軌跡對比曲線如圖8所示。

圖8 不同控制措施下桂林-賢嶺山關(guān)鍵支路有功暫態(tài)響應(yīng)Fig.8 Transient active power response under different control methods in Guilin-Xianlingshan crucial branch

由圖8可以看出，1.74 s實施控制后，關(guān)鍵支路有功功率保持在1 800 MW左右，可有效避免失步解列動作，系統(tǒng)能夠恢復(fù)暫態(tài)穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1) 大擾動沖擊下，振蕩中心落點交流支路有功軌跡呈現(xiàn)出“雙峰一谷”特征，該特征可表征系統(tǒng)穩(wěn)定裕度已顯著減小。

(2) 基于單端電氣量量測的關(guān)鍵支路識別方法可準(zhǔn)確定位大擾動沖擊下系統(tǒng)穩(wěn)定薄弱環(huán)節(jié)，方法便于實際工程應(yīng)用。

(3) 關(guān)鍵支路識別后，可對應(yīng)實施暫態(tài)穩(wěn)定控制，以降低系統(tǒng)失穩(wěn)風(fēng)險，提高電網(wǎng)穩(wěn)定水平。

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Effectiveness Verification of Identification for Key Branch in Weak Section

MIAO Tian1, ZHENG Chao2, LIU Guanqi1

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

As for proposing targeted control strategy and reducing the incidence of system splitting, it is of great significance to rapidly identify key branch whose representation system is in stable state under large disturbance impact and to accurately locate weak section of the system which is out of step. Double peak trajectory characteristics of oscillating curves of active power were analyzed when single-machine infinite-bus system was disturbed, and the authors discovered the relations of such characteristics and margin of power system stability. On such basis, method of fast identification for key branch based on single-end electrical quantities of branch was proposed to deal with multiple AC branch transmission section. After simulation analysis of real power grid, effectiveness of this identification method and targeted transient stability control strategy is verified.

transient stability; single end electrical quantities; key branch; fast identification; curve fitting

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.05.07

2015-09-28.

TM712

A

1007-2691(2016)05-0043-06

苗田(1991 -)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制；鄭超(1977 -)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、高壓直流輸電、FACTS、新能源并網(wǎng)技術(shù)等方面的研究工作；劉觀起(1956 -)，男，副教授，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制方面的研究工作。